一种土体的抗剪强度参数原位测试装置与测试方法

摘要

本发明公开了一种土体的抗剪强度参数原位测试装置与测试方法。所述土体的抗剪强度参数原位测试装置包括钻杆，用于驱动钻杆转动的旋转驱动装置，以及装在钻杆底端的剪切仪；所述剪切仪的外壁面上装压力计，该压力计用于检测原位土体在剪切仪转动时对剪切仪产生的正应力；在旋转驱动装置驱动下，位于原位土体地表以下的剪切仪与原位土体的接触面发生剪切破坏。本发明能直接测得原位土体的相关参数，可靠性强、易于实施、使用方便、效果良好、造价低、适用范围广。

说明书

技术领域

本发明涉及一种土体的抗剪强度参数原位测试装置与测试方法，属于土体抗剪强度参数的测试领域。

背景技术

大部分土体的失效为剪切破坏，且该剪切破坏基本服从于Mohr-Coulomb（简称为M-C）准则，如边坡失稳滑动，其表现为边坡滑动体的自身下滑力大于边坡滑动面能发挥的最大抗滑力所引起的剪切破坏，对于滑动面所能发挥的最大抗滑力，则可根据实际的滑动情况由M-C准则来求取。

在M-C准则中，包含粘聚力和内摩擦角这2个抗剪强度参数，这2个参数的大小代表土体的抗剪切能力（即剪切强度），且反映土体结构剪切失效的可靠性，因此，抗剪强度参数的获取是分析土体剪切破坏的基本条件，并为准确预防土体剪切破坏及预测土体剪切破坏范围提供依据。

为了获取土体的M-C抗剪强度参数，通常从实际工程点现场采集原始土样，然后在室内对采集的原始土样进行重塑，并制备可进行直接剪切或三轴剪切实验的多组标准土样，经变换土样受压状况，实验获取不同正应力状态下土体发生破坏时的抗剪强度，进而在正应力和剪切强度的笛卡尔坐标系内对这些实验结果采用M-C强度曲线进行拟合，由此得到M-C强度参数。

然而，在制备重塑标准土样的过程中，对土样的原始状态产生了扰动，使得原始土样和重塑标准土样的应力状态、含水量及土体的自身结构均存在一定的差异，故室内实验获得的重塑标准土样的M-C抗剪强度参数难以真实反映原始土样的抗剪强度特性。同时，由于该方法需制备标准土样，因此，实验操作过程较为繁琐，且制备人员的操作熟练程度对制备的土样性能也存在一定的影响。另外，对于受剪切破坏控制的土体稳定性，如边坡的抗滑稳定性，影响分析结果的主要因素往往是抗剪强度参数选取的准确性，若当抗剪强度参数与工程实际情况不相符时，计算所得结果可能被夸大或保守估计，从而给工程带来不利隐患或引起工程优化设计的不经济。

在这种情况下，迫切需求一种易于做到且能准确获取土体抗剪强度参数的原位测试装置及测试方法。

发明内容

本发明旨在提供一种土体的抗剪强度参数原位测试装置与测试方法，该原位测试装置测得土体抗剪强度参数的过程中，操作简单、数据获取快、准确性高、人工成本小。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种土体的抗剪强度参数原位测试装置，其结构特点是，包括钻杆，用于驱动钻杆转动的旋转驱动装置，以及装在钻杆底端的剪切仪；所述剪切仪的外壁面上装压力计，该压力计用于检测原位土体在剪切仪转动时对剪切仪产生的正应力；在旋转驱动装置驱动下，位于原位土体地表以下的剪切仪与原位土体的接触面发生剪切破坏。

由此，钻杆在旋转驱动装置的驱动下，垂直于地面转动，从而使得剪切仪与原位土体之间发生剪切破坏，从而获取土体抗剪强度参数。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

优选地，所述剪切仪为锥形剪切仪。

优选地，所述压力计为环形压力计。

优选地，所述旋转驱动装置为安装在支架上的电机，该电极的动力输出端与所述钻杆相联，该电机的电机壳上装有吊杆，该吊杆下端固定有套装在钻杆外的护筒；优选地，护筒由多节可拆卸段固定连接而成。

所述护筒的底端与所述剪切仪的顶端之间设有间隙。

所述支架上装有套筒，所述电机通过多根连杆固定在套筒内。

所述支架包括位于原位土体地表上的三角架和支护立柱，固定在三角架和支护立柱上水平放置的支护横梁。

所述钻杆由多节可拆卸段固定连接而成，用于采集不同深度处原位土体的正应力和剪切强度。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述的土体的抗剪强度参数原位测试装置对原位土体进行测试的方法，其包括如下步骤：

S1、选取有代表性的试验点，在试验点处架设支架，并安装所述的土体的抗剪强度参数原位测试装置；

S2、由电机驱动钻杆匀速转动，使剪切仪钻入指定深度的原位土体内；

S3、获取原位测试数据；当钻入的剪切仪下到原位土体地表以下指定的深度时，停止钻杆转动并停止钻入，此时测试安装于剪切仪上的压力计，当压力计所显示的数值稳定后，记录剪切仪周围的原位土体对剪切仪所作用的土压力，即此深度处的原位土体正应力；然后，通电电机，控制并从小到大调节输入电机电压，直到剪切仪对其周围的原位土体形成相对剪切位移，即剪切仪对其周围的原位土体进行了剪切破坏，且剪切位移的速率满足《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）规定的要求时，记录此时输入电机的电压；

S4、整理数据；将不同指定深度处使剪切仪对其周围的原位土体进行剪切破坏时输入电机的电压及对应压力计测得的原位土体的正应力和剪切仪的外形参数求取不同深度处的原位土体剪切强度；然后，将此系列不同深度处的原位土体正应力及对应的剪切强度数据绘制于正应力和剪切强度的笛卡尔坐标系中，并采用M-C强度曲线对试验结果进行拟合，从而获得原位土体的抗剪强度参数。

优选地，步骤S4中，M-C准则公式为σ=c+τtanφ，式中，σ为原位土体正应力、τ为对应正应力下的原位土体剪切强度，c为根据剪切仪与土体及土体之间室内剪切实验数据而予以修正的原位土体粘聚力，φ为根据剪切仪与土体及土体之间室内剪切实验数据而予以修正的原位土体内摩擦角，且c和φ为需进行曲线拟合而得的原位土体抗剪强度参数，从而获得原位土体的抗剪强度参数。

由此，电机驱动钻杆转动来获取原位测试数据时，每当钻入的剪切仪达到地表以下指定的深度时，关停电机，停止钻入，此时测试安装于剪切仪上的压力计，当压力计所显示的数值稳定后，记录周围的原位土体对剪切仪所作用的土压力；然后，再次通电电机，并微调输入电机的电压，直到剪切仪对其周围的原位土体形成相对剪切位移，且剪切位移的速率满足《土工试验方法标准》规定的要求时，记录此时输入电机的电压；当所有指定深度的土体的原位测试数据获取完毕后，拆卸所述的土体的抗剪强度参数原位测试装置；在整理数据时，根据电机的设计指标，将不同指定深度处使剪切仪对其周围的原位土体进行剪切破坏时输入电机的电压转换为电机的转动力矩，即剪切仪对其周围的原位土体进行剪切破坏时的最大剪切力矩，进而由转换得的电机的转动力矩及对应压力计测得的土体正应力和剪切仪的外形参数求取不同深度处的原位土体的剪切强度；然后，将此系列不同深度处的原位土体正应力及对应的剪切强度数据绘制于正应力和剪切强度的笛卡尔坐标系中，并采用M-C强度曲线对试验结果进行拟合，从而获得原位土体的抗剪强度参数。

藉由上述结构，所述的土体抗剪强度参数的原位测试装置是由锥形剪切仪、钻杆、电机及与其外壳固定连接的连杆和吊杆、护筒、套筒、三角形支架、支护横梁和支护立柱组成。首先，采用三角形支架、支护横梁和支护立柱构成支护结构来架设测试装置，然后，将套筒平放在支护横梁上并与支护横梁相连，再通过与电机外壳固定连接的连杆将电机嵌入套筒内壁。对于钻杆，其一端深入电机内部与电机转子相连，另一端与锥形剪切仪进行固定连接，对于钻杆外围的护筒，其螺栓连接于电机外壳的吊杆上。测试装置安装完毕后，当电机通电转动时，其转动力矩即可转化为锥形剪切仪对其周围的原位土体的剪切力矩，将仪器整体钻入土体并达到指定深度，由此获得相应深度土体的正应力及此正应力下土体的剪切强度。该测试装置可以快速简便地获取试验结果，且能真实地反映原位土体的抗剪强度特性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的土体抗剪强度参数的原位测试装置直接测得原位土体的相关参数，可靠性强、易于实施、使用方便、效果良好、造价低、适用范围广。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构原理图；

图2为本发明所述的锥形剪切仪的示意图；

图3为本发明所述的电机横断面示意图；

图4为本发明所述的顶端套筒与吊杆的连接横断面示意图；

图5为本发明所述的顶端套筒与吊杆的连接立面示意图；

图6为本发明所述的中间套筒节段的连接横断面示意图；

图7为本发明所述的中间套筒节段的连接立面示意图。

在图中：

1、土体；2、剪切仪；3、压力计；4、钻杆；5、护筒；6、电机；7、吊杆；8、连杆；9、套筒；10、螺栓；11、支护横梁；12、支护立柱；13、三角支架。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

一种土体抗剪强度参数的原位测试装置，如图1-7所示，主要是由锥形剪切仪、钻杆、电机及与其外壳固定连接的连杆和吊杆、护筒、套筒、三角形支架、支护横梁和支护立柱组成。首先，采用三角形支架、支护横梁和支护立柱构成支护结构来架设测试装置，然后，将套筒平放在支护横梁上并与支护横梁相连，再通过与电机外壳固定连接的连杆将电机嵌入套筒内壁。对于钻杆，其一端深入电机内部与电机转子相连，另一端与锥形剪切仪进行固定连接，对于钻杆外围的护筒，其螺栓连接于电机外壳的吊杆上。测试装置安装完毕后，当电机通电转动时，其转动力矩即可转化为锥形剪切仪对其周围的原位土体的剪切力矩，将仪器整体钻入土体并达到指定深度，由此获得相应深度土体的正应力及此正应力下土体的剪切强度。该测试装置可以快速简便地获取试验结果，并且能真实地反映原位土体的抗剪强度特性。

本发明的锥形剪切仪为高度h（h=10cm）和最大半径r（r=5cm）的锥形体，在其深入土体内工作时，仅其侧面与土体形成相互剪切作用。另外，在锥形剪切仪的中部安装有环形压力计，可获取土体对锥形剪切仪所作用的平均土压力（即土体正应力）。为了利用锥形剪切仪来获取抗剪强度参数的基础数据，在地表以下指定深度处，由环形压力计记录该深度土体的正应力，并使电机转动恰好使锥形剪切仪对周围的原位土体形成相对剪切位移，即使该指定深度处的土体与锥形剪切仪之间的接触面发生剪切破坏，则此时电机转动力矩为锥形剪切仪对该指定深度处的土体进行剪切破坏时所需的最大剪切力矩。由此，根据电机转动力矩及该指定深度处的土体正应力和锥形剪切仪的外形特征计算得土体发生剪切破坏时对应土体的剪切强度。

本发明的电机外壳上设计有可与电机固定连接的吊杆和连杆，其中，通过连杆可将电机嵌入套筒内壁，并由套筒及与套筒相连的支护结构来承担电机转动时产生的横向作用力，保证电机的平稳运行。同时，电机转子上设有三角形卡槽，便于顶端钻杆深入电机内部并能与电机转子嵌入相连，进而将电机转动转化为与钻杆另一端固定连接的锥形剪切仪的转动。另外，输入电机的电压可进行调节，并由输入电压的大小控制电机转动力矩，从而达到获取恰好使锥形剪切仪在指定深度处对周围的原位土体进行剪切破坏时所需的最大剪切力矩的目的。

本发明的钻杆为普通钻杆，可与勘探钻杆通用。同时，底端钻杆固定连接于锥形剪切仪，顶端钻杆深入电机内部，采用三角形嵌入方式相连于电机转子，中间钻杆由多节段组成以满足不同钻孔深度，且每节钻杆之间利用公母螺纹连接方式相连。

本发明的护筒采用2个半圆柱壳体通过嵌套式螺栓连接方式结合，以便于模块化制作，且利于安装在钻杆的外周。同时，底端护筒与锥形剪切仪之间留有一定空隙，确保锥形剪切仪工作时护筒不对锥形剪切仪的使用产生影响，顶端护筒采用螺栓连接方式与电机外壳上的吊杆相连，从而可使护筒和同样与电机相连的钻杆以相同的速度钻入土体，完成保护钻孔的孔周土壁以防塌孔的目的。中间护筒由多节段组成以满足不同钻孔深度，对于每节护筒长度，可与每节钻杆长度相同，且每节护筒之间采用嵌套式螺栓连接方式相连。

以下以一个具体的工程实例来详细介绍本发明。

如图1-图7所示，该工程为高96m和平均坡角15°的堆积体边坡，其中，堆积体的天然重度为18.2kN/m³及饱和重度为21.6kN/m³。在边坡施工过程中，由于降雨和人工扰动等影响，堆积体边坡已出现滑动趋势，故为了确保边坡在后续施工和运营期间能够维持稳定，需在正确评估边坡稳定性状态的基础上对边坡进行加固处置，然而，实行这项工作的关键因素是能否获取真实可靠的边坡抗滑强度参数，由此，本项目在现场选取有代表性的测试点开展堆积土体抗剪强度参数的原位试验。在开始原位试验之前，对选取的有代表性测试点进行地表平整，并安装原位测试装置。装置安装完毕后，通电电机，由钻杆推进锥形剪切仪以使之钻入土体一定深度，同时，在钻入过程中，稳定控制输入电机电压以保持钻杆匀速钻入土体。此后，当锥形剪切仪每钻入土体深度20cm后，关停电机，停止钻入，测试安装于锥形剪切仪上的环形压力计，记录此时周围的原位土体对锥形剪切仪所作用的土压力（即此深度处的土体正应力）。然后，再次通电电机，并微调输入电机的电压，直到锥形剪切仪对其周围的原位土体形成相对剪切位移时，记录此时输入电机的电压，且根据电机的设计指标将输入电压转换为电机的转动力矩，进而由电机的转动力矩（即锥形剪切仪对其周围的原位土体进行剪切破坏时的最大剪切力矩）及土体正应力和锥形剪切仪的外形参数求取此深度处的土体剪切强度。依照上述流程，分别得到地表以下20cm、40cm、60cm、80cm和100cm深度处共计5个点位的土体正应力和剪切强度数据。将此5个点位数据绘制在正应力和剪切强度的笛卡尔坐标系中，采用M-C强度曲线进行拟合，从而得到边坡的抗滑强度参数结果，据此结果对边坡进行加固处理并分析其稳定性。

具体操作如下：

（1）选取有代表性试验点。根据工程所涉及的范围、性质和特点，选取有代表性的试验点来获取土体1的抗剪强度原位数据，同时，在进行试验前，对试验点进行场地平整，并按照《岩土工程勘察安全规范》（GB 50585-2010）的规定制定安全防护措施。

（2）架设支护结构。在平整后的地面上，以试验点为中心，按平面各方向均匀对称布设4个三角形支架13、4个支护横梁11和4个支护立柱12作为原位测试装置的支护结构，其中，三角形支架13位于支护横梁11外侧，支护立柱12位于支护横梁11内侧，同时，三角形支架13和支护立柱12均深入土体1内部一定深度，并确保支护横梁11能稳定可靠且水平地放置于三角形支架13和支护横梁12上。

（3）安装原位测试装置。在架设完支护结构后，将套筒9平稳安放在支护横梁11上，且与支护横梁11进行连接，并确保套筒9的中心与试验点在竖直方向上位于同一位置。然后，由与电机6外壳固定连接的连杆8将电机6嵌套于套筒9内壁上，再将底端连接有锥形剪切仪2的钻杆4安装就位，并使钻杆4顶端深入电机6内部以嵌入方式相连于电机6转子。最后，在钻杆4外围安装护筒5，其中，护筒5顶端与电机6外壳上的吊杆7采用螺栓10连接的方式进行相连，护筒5底端与锥形剪切仪2的顶面留有一定空隙。

（4）钻入锥形剪切仪。安装完原位测试装置后，将电机6通电，按指定的深度钻入锥形剪切仪2，且在钻入过程中稳定控制输入电机6电压以确保钻杆4匀速钻入土体1，同时，为满足不同钻入深度要求，可在其中不断接入钻杆4和护筒5节段。

（5）获取原位测试数据。每当钻入的锥形剪切仪2达到地表以下指定的深度时，关停电机6，停止钻入，此时测试安装于锥形剪切仪2上的环形压力计3，其中，环形压力计3的量程和精度要求满足《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）的规定，当环形压力计3所显示的数值稳定后，记录周围的原位土体1对锥形剪切仪2所作用的土压力（即此深度处的土体正应力）。然后，再次通电电机6，并微调输入电机6的电压，直到锥形剪切仪2对其周围的原位土体1形成相对剪切位移（即此时锥形剪切仪对其周围的原位土体进行了剪切破坏），且剪切位移的速率满足《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）规定的要求时，记录此时输入电机6的电压。

（6）拆卸原位测试装置及支护结构。当所有指定深度的土体1原位测试数据（包括指定深度的土体1正应力和在该指定深度处使锥形剪切仪2对其周围的原位土体1进行剪切破坏时输入电机6的电压）获取完毕后，按照安装时的反序拆卸原位测试装置及支护结构，并将各部件进行清理，且装箱保存。

（7）整理数据。根据电机6的设计指标，将不同指定深度处使锥形剪切仪2对其周围的原位土体1进行剪切破坏时输入电机6的电压转换为电机6的转动力矩（即锥形剪切仪2对其周围的原位土体1进行剪切破坏时的最大剪切力矩），进而由转换得的电机6的转动力矩及对应环形压力计3测得的土体正应力和锥形剪切仪2的外形参数求取不同深度处的土体1剪切强度。然后，将此系列不同深度处的土体1正应力及对应的剪切强度数据绘制于正应力和剪切强度的笛卡尔坐标系中，并采用M-C强度曲线对试验结果进行拟合，其中，M-C准则公式为σ=c+τtanφ，式中，σ为土体正应力、τ为对应正应力下土体剪切强度，c为根据剪切仪与土体及土体之间室内剪切实验数据而予以修正的土体粘聚力，φ为根据剪切仪与土体及土体之间室内剪切实验数据而予以修正的土体内摩擦角，且c和φ为需进行曲线拟合而得的土体抗剪强度参数，从而获得土体1的抗剪强度参数。在数据整理过程中，应满足《土工试验方法标准》（GB/T>

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。